柔性智能头盔如何重塑应急消防装备

柔性电子具有轻、薄、柔的物理特性,具备在有限异形空间内弯折共形、贴合人体表面实现可穿戴以及在低重量水平实现高密度集成的能力,是未来实现应急消防器械轻量化、柔性化、智能化的关键技术途径。本文从三个方面的应用对未来智能应急消防人员器械———柔性电子头盔进行了全面的综述,归纳了现阶段智能头盔的研究进展。

从技术需求角度来看,未来应急救援中,柔性智能头盔应具备生命体征监测、疲劳状态预警、特殊环境调节、环境感知增强、环境异常监测以及网络信息通信等能力。

作为一种轻量化的可穿戴装备,柔性智能头盔具有高度可扩展性,可以根据任务需要添加或移除相应的柔性器件来实现不同的功能,为特定任务行动提供有力支持。

▶柔性传感技术是智能头盔的基石。通过柔性传感器,智能头盔实现了对应急消防人员生理信号和周围环境的实时感知。

▶柔性显示技术是智能头盔的突破口。作为一项已经产业化的技术,柔性显示技术为智能头盔提供了可视化窗口。

▶柔性通信技术促进了智能头盔实现跨越式发展。借助于通信网络,它可以为应急消防人员提供实时的特殊场景地理信息和目标信息,有助于提高相关人员机动反应能力。

▶柔性光伏技术是智能头盔的关键。随着各种功能的传感器被添加,其功耗会持续增加。紧急环境很可能导致应急消防人员长时间无法补充能源,频繁充电或更换电池会降低智能头盔的实用性。因此,利用如何柔性太阳电池等手段在自然环境中获取能量成为保障智能头盔持续工作的重要课题。

智能头盔的功能：

1.生命体征监测

应急消防人员具有5个非常重要的生命体征:心率、血压、呼吸频率、血氧饱和度和体温。这5个信号通常被认为是评估人类健康所必需的,应进行持续监测。通过可远程监测体征参数,判断应急消防人员存亡状态,在未来紧急态势环境中将发挥至关重要的作用。在特殊场景中,可以通过生命体征监测实时获得应急消防人员伤亡信息,必要时调整战术布局。

①血氧饱和度监测：血氧饱和度是人体重要的生理体征参数。近年来,人们对非侵入式血氧传感器给予愈来愈多的关注。

②核心体温监测：在剧烈工作期间,核心体温的连续动态测量是人体热力评估的关键组成部分。穿戴器械影响人体散热,会导致应急消防人员核心体温升高。使用温度传感器测量环境温度变化,并与生物传感器采集到的皮肤温度、脉搏血氧仪、心率进行关联计算和分析作为热应变指数。

③跌落监测：判断应急消防人员生命状态更为直接的方法是监测其突然跌落。当应急消防人员被击中、被冲击波及,身体通常会发生倾倒。通过在头盔中设计三轴加速度计来感知头部运动,检测佩戴者突然的摔倒和跌落。

2.疲劳预警

精神状态(疲劳、瞌睡)监测为队伍提供了新的能力,可以评估应急消防人员个体的表现并预估其极限行为。EEG信号可用于识别用户在各种环境中的警觉性、注意力、感知和工作量的细微变化。通过头盔内的EEG传感器分析大脑活动,指示应急消防人员的压力水平。

3.环境调控

头盔在给人们提供安全保障的同时也会带来一些困扰。头盔透气性较差,夏天佩戴会使人们感到炎热;寒冷的天气会使头盔变得冰冷刺骨。灼热或严寒等复杂多变的环境会增加应急消防人员的困扰。在这些特殊环境中作战,具有加热与降温功能的智能头盔可以在成功感知环境条件变化后及时提供温度调节,以保护应急消防人员体温。

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